Xuất phát từ yêu cầu đo phân bố cường độ chiếu sáng tại nơi sử dụng, tôi đã tính toán, thiết kế và xây dựng hệ đo phân bố dựa trên phương pháp quét điểm ảnh, với kích thước phù hợp với tính toán cho hệ thấu kính (yêu cầu đạt tối thiểu 70×70cm)
2.3.1. Xây dựng hệ đo phân bố ánh sáng
Sau khi hệ thấu kính phân bố ánh sáng đồng đều cho đèn LED được chế tạo. Sau đó thông số phân bố ánh sáng của hệ đèn đã chế tạo trên diện tích cần chiếu được đo đạc, đối chiếu và so sánh với các kết quả đã được mô phỏng, tính toán và thấu kính thương mại khác.
Do diện tích chiếu sáng là khá rộng và số lượng điểm lấy mẫu cần rất lớn. Vì thế với phương pháp đo bằng tay sẽ rất mất thời gian và không đảm bảo được độ chính xác cao. Chính vì vậy chúng tôi đã tiến hành chế tạo một hệ đo phân bố quang tự động, có thể lấy mẫu nhiều lần độ chính xác cao và thời gian đo đạc được rút ngắn. Hình 2.16 đưa ra sơ đồ các khối trong hệ đo. Bao gồm một máy tính giao tiếp với một ardunio kết hợp với đầu đo photodiode có thể di chuyển trên trục tọa độ XY của mặt phẳng chiếu sáng nhờ hệ cơ khí được điều khiển chính xác bằng motor bước.
Hình 2.16: Sơ đồ hệ đo phân bố quang cho thấu kính
Hệ đo phân bố quang được chúng tôi trực tiếp chế tạo. LED sẽ được nuôi
1m
1m 1m
kính, chùm ánh sáng đi qua sẽ được chiếu trên diện tích 1m x 1m với chiều cao 100cm. Phần diện tích chiếu sáng sẽ được thu thập công suất quang bằng photodiode, photodiode này được đặt trong một hệ trục XY di chuyển được và được điều khiển bằng máy tính. Dữ liệu công suất quang sẽ được xử lý và vẽ lại bằng hình ảnh phân bố 3D qua phần mềm Matlab. Độ đồng đều được tính theo công thức:
𝐻 =𝑃𝑚𝑖𝑛
𝐼𝑎𝑣𝑔 (7)
Trong đó Imin là giá trị cường độ tối thiểu và Iavg là giá trị cường độ trung bình của tất cả các điểm đo.
2.3.2. Lắp ráp và hoàn thiện hệ đo
Hệ thống chiếu sáng sử dụng đèn LED kết hợp với thấu kính được đặt trên một giá treo đèn có thể điều chỉnh độ cao. Giá treo đèn được làm bằng vật liệu nhôm định hình, dễ dàng tháo lắp, di chuyển và thay đổi độ cao. Độ cao của giá treo đèn có thể thay đổi trong khoảng từ 0.5-1,5 m.
Hệ dịch chuyển hai chiều kích thước 1m×1m được chúng tôi chế tạo bằng vật liệu nhôm định hình và sử dụng motor bước để di chuyển đầu thu. Hình 2.17 đưa ra hình ảnh thực tế của hệ dịch chuyển.
Hình 2.17: Hình ảnh của hệ dịch chuyển hai chiều
Nguồn nuôi LED được chúng tôi sử dụng trong phép đo là nguồn Thorlabs ITC 4005 (Xem hình 2.18) cho dòng ra một chiều có thể thay đổi từ
0 đến 5 A, độ chia nhỏ nhất là 0,01 A. Có thể cho dòng từ từ qua LED hoặc đặt một dòng nhất định sau đó mới được cấp cho LED. Chip LED sử dụng trong các phép đo trên là LED của hãng Nichia do Nhật Bản sản xuất, được bọc silicon trong suốt, dòng danh định là 1000 mA tuy nhiên có thể hoạt động được ở dòng lên đến 2000 mA và có góc mở là 120o. Ở điều kiện bình thường LED có thể chịu được nhiệt độ chuyển tiếp khá cao 135oC cho những ứng dụng đặc biệt trong thời gian ngắn, tuy nhiên với điều kiện như vậy tuổi thọ của LED không quá 100 giờ.
Hình 2.18: Nguồn Thorlabs ITC 4005
Phép đo sử dụng vi điều khiển Arduino R3 kết hợp với photodiode, cho phép đo cường độ chiếu sáng với độ phân giải 10 bit (Xem hình 2.19).
khoảng thời gian 100 ms. Bảng dưới đây đưa ra thông số đo phân bố ánh sáng cho thấu kính biên dạng tự do.
Bảng 2.3:Thông số phép đo phân bố ánh sáng
Chiều cao treo đèn 70 cm
Diện tích đo 90x90 cm
Khoảng cách lấy mẫu 1 cm
Cường độ dòng điện 500 mA
2.3.3. Xây dựng hệ đo thông số truyền qua của thấu kính biên dạng tự do
Một trong những thông số quan trọng để đánh giá thấu kính là độ truyền qua, với mục đích chiếu sáng, độ truyền qua của thấu kính càng tốt, lượng ánh sáng bị mất mát càng nhỏ, chất lượng của thấu kính càng cao. Chúng tôi đề xuất một hệ thử nghiệm đo độ truyền qua như trong hình 2.20 và sử dụng một Laser diode bước sóng 650 nm, một Power meter để đo công suất ánh sáng.
Hình 2.20: Sơ đồ hệ đo độ truyền qua của thấu kính
Laser 650 nm được sử dụng trong thí nghiệm này là laser diode công suất tối đa 200 mW với dòng ngưỡng 60 mA có thể chịu được cường độ dòng điện lên đến 400mA (Xem hình 2.22). Máy đo công suất quang MELLES GRIOT (Xem hình 2.21) đầu thu đĩa nhiệt được sử dụng trong thí nghiệm này.
Power meter
Hình 2.21: Thiết bị đo công suất quang MELLES GRIOT.
Hình 2.22: Laser diode 650nm công suất 200mW
Đầu tiên, chúng tôi tiến hành đo công suất thực của laser diode với cường độ dòng điện thay đổi từ 0-400 mA. Tiếp theo, vị trí của Laser và đầu thu được giữ nguyên, đặt thấu kính biên dạng tự do đã chế tạo vào giữa laser và đầu thu sao cho công suất laser thu được là lớn nhất, tiếp tục tiến hành thay đổi cường độ dòng điện cấp cho laser từ 0-400 mA và đo công suất quang thu được. Hiệu suất truyền qua của thấu kính biên dạng tự do đã chế tạo được tính theo công thức:
Trong đó P0 là công suất quang thu được khi chưa đặt thấu kính, Pout là công suất quang thu được khi tia laser đi qua thấu kính.